深海雙管道連接裝置在低溫環(huán)境下金屬密封研究及應(yīng)用

郝偉修，胡夏琦，張鵬舉，施　佳，程　銳

(1.中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519000；2.美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200000)

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深海雙管道連接裝置在低溫環(huán)境下金屬密封研究及應(yīng)用

郝偉修1，胡夏琦1，張鵬舉2，施佳2，程銳2

(1.中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519000；2.美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 200000)

摘要：雙管道連接裝置是深水采油樹使用的關(guān)鍵設(shè)備之一。通過進(jìn)行雙管道設(shè)計(jì)研究，使得在有限的空間里可以實(shí)現(xiàn)節(jié)流閥和流量計(jì)的安裝，在節(jié)約了空間的同時(shí)，增強(qiáng)了采油樹的功能。對于高壓采氣樹，它將面臨高壓和低溫密封的挑戰(zhàn)。對深海雙管道連接裝置在低溫環(huán)境下金屬密封進(jìn)行了研究，并闡述了實(shí)際應(yīng)用過程中的情況。

關(guān)鍵詞：雙管道連接裝置；低溫環(huán)境；金屬密封

對于深海高壓采氣樹，當(dāng)流體流過雙管道連接裝置，經(jīng)過節(jié)流閥，由于節(jié)流閥對氣體的節(jié)流作用，將產(chǎn)生焦耳-湯姆遜低溫效應(yīng)，再流回雙孔連接器裝置。雙管道連接裝置的金屬密封將不僅面臨高壓密封的挑戰(zhàn)，還有低溫密封的問題。雙管道連接裝置基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，它的額定工作溫度為-46～121 ℃，設(shè)計(jì)壓力為69.0 MPa，材料級(jí)別為HH-NL。

1溫度變化對金屬密封的影響

1.1密封鋼圈受溫度的變形影響

雙管道連接裝置的材料級(jí)別為HH-NL，金屬密封鋼圈所使用的材料為耐蝕合金(CRA)，其合金代號(hào)為N08825。N08825的熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系見表1[1-2]。

圖1　雙管道連接裝置

溫度T/℃瞬時(shí)熱膨脹系數(shù)α/×10-6·℃-1平均熱膨脹系數(shù)β/×10-6·℃-1線性熱膨脹系數(shù)γ/℃-12013.513.505013.813.60.47514.113.70.810014.413.91.112514.614.01.5

根據(jù)表1可以擬合曲線(見圖2～圖4)。

圖2　瞬時(shí)熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系

圖3　平均熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系

圖4　線性熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系

由圖2～圖4可知，熱膨脹系數(shù)與溫度有很強(qiáng)的線性相關(guān)性，如下式所示：

式中，平均熱膨脹系數(shù)與溫度的相關(guān)關(guān)系略弱，且基于20 ℃起始溫度所測得的熱膨脹系數(shù)，對于不同起始與終止溫度，它們之間有如下關(guān)系：

γ1=∫T2T1α1dT=0.0054(T22-T21)+13.283(T2-T1)β1=γ1T2-T1=0.0054(T2-T1)+13.283ì?í??????

(1)

1.2本體受溫度的變形影響

本體所用主體材料為低碳合金鋼，型號(hào)/級(jí)別為F22；在本體密封面處，堆焊合金(代號(hào)為N06625)。

1.2.1密封堆焊層受溫度的變形影響

N06625的熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系見表2。

表2　N06625的熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系

根據(jù)表2可以擬合曲線(見圖5～圖7)。

圖5　瞬時(shí)熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系

圖6　平均熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系

圖7　線性熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系

由圖5～圖7可知，熱膨脹系數(shù)與溫度有很強(qiáng)的線性相關(guān)性，如下式所示：

式中，基于20 ℃起始溫度所測得的熱膨脹系數(shù)，對于不同起始與終止溫度，它們之間有如下關(guān)系：

γ2=∫T2T1α2dT=0.75×10-7(T42-T41)+6.667×10-6(T32-T31)+0.1815(T22-T21)+11.35(T2-T1)β2=γ2T2-T1=0.75×10-7(T22+T21)(T2+T1)+6.667×10-6(T22-T2T1+T21)+0.01815(T2+T1)+11.35ì?í??????????

(2)

1.2.2本體主體材料受溫度的變形影響

本體所用主體材料為低碳合金鋼，型號(hào)/級(jí)別為F22。F22的熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系見表3。

表3　F22的熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系

根據(jù)表3可以擬合曲線(見圖8～圖10)。

圖8　瞬時(shí)熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系

圖9　平均熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系

圖10　線性熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系

由圖8～圖10可知，熱膨脹系數(shù)與溫度有很強(qiáng)的線性相關(guān)性，如下式所示：

式中，基于20 ℃起始溫度所測得的熱膨脹系數(shù)，對于不同起始與終止溫度，它們之間有如下關(guān)系：

γ3=∫T2T1α3dT=-1.333×10-5(T32-T31)+0.00945(T22-T21)+11.136(T2-T1)β3=γ3T2-T1=-1.333×10-5(T22-T2T1+T21)+0.00945(T2+T1)+11.136ì?í???????

(3)

1.3綜合分析溫度變形的影響

根據(jù)式1～式3，假設(shè)室溫(安裝溫度)為25 ℃，在高低溫循環(huán)中，最低溫度為-46 ℃，最高溫度為121 ℃，可得相關(guān)參數(shù)(見表4)。

表4　不同材質(zhì)的線性熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系

從表4可以看出，在-46 ℃時(shí)，N08825材質(zhì)的熱收縮率高于另兩者材質(zhì)，且另兩者材質(zhì)的熱收縮率幾乎相等；在121 ℃時(shí)，N08825材質(zhì)的熱膨脹率亦高于另兩者材質(zhì)，且N06625略高于F22。不難看出，F(xiàn)22堆焊N06625，這2種材質(zhì)幾乎不會(huì)因?yàn)闊崦浝淇s導(dǎo)致異質(zhì)金屬內(nèi)應(yīng)力，由溫度引起的變形基本保持同步。堆焊厚度約為3.2 mm，相對于主體材料，其熱影響可忽略(認(rèn)為和主體相同)，密封鋼圈與本體主體材料的熱收縮率/熱膨脹率差值約為0.16 mm/m。

在3種材料熱膨脹時(shí)，N08825的熱膨脹率高于其他兩者材質(zhì)，相對于常溫密封能力，其密封性能不受影響；在3種材料收縮時(shí)，N08825的熱收縮率高于其他兩者材料，相對于常溫密封，如果該差值不能補(bǔ)償，將造成密封失效。簡言之，在強(qiáng)度滿足要求的條件下，溫度升高引起的熱膨脹不影響密封，僅低溫時(shí)可能造成密封失效。

2材料彈性對金屬密封的影響

由于在常溫測試的過程中，溫度不對密封構(gòu)成影響，對密封起主要影響的為密封的過盈量。對于密封面處，它的密封是依靠金屬的塑性變形，使得兩密封面的材料相互嵌入，通過預(yù)緊實(shí)現(xiàn)密封。

根據(jù)上述分析，在低溫時(shí)，由于金屬密封鋼圈的熱收縮率要高于本體材料的熱收縮率，因此，該過程可能因?yàn)榈蜏囟姑芊馓幃a(chǎn)生間隙。這時(shí)，就要求密封材料具備一定的回彈能力，用于彌補(bǔ)因低溫引起的收縮。

由于本體材料屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)高于密封鋼圈材料，且本體體積亦遠(yuǎn)高于密封鋼圈，本體與密封鋼圈為過盈配合，密封面的接觸應(yīng)力為本體的內(nèi)壓力，但為密封鋼圈的外壓力。不考慮其他條件，本體由接觸應(yīng)力引起的應(yīng)力由內(nèi)向外引迅速衰減，而密封鋼圈由接觸應(yīng)力引起的應(yīng)力由外向內(nèi)逐步增加。且在流道存在高壓時(shí)，影響密封的主要受體仍然是密封鋼圈。簡言之，本體相對于密封鋼圈，在受過盈預(yù)緊力和流體壓力的作用時(shí)，本體可以認(rèn)為幾乎不發(fā)生變形，主要發(fā)生變形的為密封鋼圈，因此，在低溫時(shí)，密封鋼圈的回彈是保障密封的關(guān)鍵因素。下述對密封鋼圈的回彈性能進(jìn)行分析。

N08825的彈性模量與溫度的關(guān)系見表5，其許用屈服應(yīng)力與溫度的關(guān)系見表6。

表5　N08825的彈性模量與溫度的關(guān)系

表6　N08825的許用屈服應(yīng)力與溫度的關(guān)系

根據(jù)表5可以擬合曲線(見圖11)。根據(jù)圖11可以看出，彈性模量與溫度的關(guān)系高度線性相關(guān)，可以近似表達(dá)為E=-0.057 4T+194.62。

圖11　彈性模量與溫度的關(guān)系

如表6所示，-30～40 ℃時(shí)許用應(yīng)力無變化，因此，剔除-30 ℃的點(diǎn)，可以擬合曲線(見圖12)。

圖12　許用應(yīng)力與溫度的關(guān)系

根據(jù)圖12，許用應(yīng)力與溫度高度乘冪相關(guān)，可以近似表達(dá)為S=234.15T-0.104。

綜上所述，在某一溫度下，允許的應(yīng)變?chǔ)?S/E，單位為mm/m，則：

在-46 ℃≤T<40 ℃時(shí)，許用應(yīng)變與溫度的關(guān)系如圖13所示。

圖13　許用應(yīng)變與溫度的關(guān)系

如圖13所示，許用應(yīng)變與溫度高度線性相關(guān)，可以近似表達(dá)為ε=0.000 2T+0.822 2。

在40 ℃≤T≤121 ℃時(shí)，許用應(yīng)變與溫度的關(guān)系如圖14所示。

圖14　許用應(yīng)變與溫度的關(guān)系

如圖14所示，許用應(yīng)變與溫度高度乘冪相關(guān)，可以近似表達(dá)為ε=1.117 3T-0.081。

綜上所述，在某一溫度下，允許的應(yīng)變?yōu)椋?/p>

ε=0.0002T+0.8222(-46℃≤T<40℃)ε=1.1173T-0.081(40℃≤T<121℃){

(4)

根據(jù)式4可得N08825的彈性補(bǔ)償與溫度的關(guān)系(見表7)，從而獲得在低溫和高溫情況下的允許彈性補(bǔ)償率。

表7　N08825的彈性補(bǔ)償與溫度的關(guān)系

將表7與表4進(jìn)行對比可知，在低溫情況下，只要保證金屬密封鋼圈主體結(jié)構(gòu)不屈服，密封鋼圈就具備足夠的回彈能力以彌補(bǔ)由低溫引起的收縮間隙。低溫補(bǔ)償率約為低溫收縮率差值的5倍。

3密封過盈量分析

3.1過盈量

根據(jù)上述分析，可將本體看作厚壁剛體，密封鋼圈為過盈配合在其內(nèi)的高壓承壓圓筒。根據(jù)拉梅公式：

式中，u(R)是在半徑R處的位移，單位為mm；E是彈性模量，單位為MPa；ν是泊松比,無量綱；Ri、Ro分別是內(nèi)半徑和外半徑，單位為mm；Pi、Po分別是內(nèi)壓和外壓，單位為MPa。

令Pi=0，u(Ro)=Δ，R=Ro；Δ為過盈量,單位為mm；那么上式可改寫為：

(5)

雙管道連接裝置的兩密封鋼圈密封尺寸見表8。

表8　密封鋼圈的設(shè)計(jì)密封尺寸

最大過盈量發(fā)生于密封接觸面中部，最大接觸應(yīng)力亦在中部。根據(jù)式5可知，為了保證受力的均勻性，4-1/16″密封鋼圈與5-1/8″密封鋼圈所受壓力應(yīng)相等，即：

(6)

式中，Ri1、Ro1分別是4-1/16″密封鋼圈的流動(dòng)內(nèi)徑及密封接觸面中徑，單位為mm；Ri2、Ro2分別是5-1/8″密封鋼圈的流動(dòng)內(nèi)徑及密封接觸面中徑,單位為mm；ν=0.31；Δ1、Δ2分別是4-1/16″密封鋼圈和5-1/8″密封鋼圈的最大密封過盈量，單位為mm。

式6可變形為：

(7)

將數(shù)據(jù)代入式7，可得：

對于水下高壓密封鋼圈，過盈量一般取Δ=0.66mm，因此，可取Δ1=0.66mm，Δ2=0.99mm。

3.2密封預(yù)緊力

在常溫下，取T=25 ℃,E=-0.057 4T+194.62=193.185 (MPa)根據(jù)式5可得密封預(yù)緊應(yīng)力為Po1=Po2=-475.0 (MPa)。

根據(jù)表8可獲得下列數(shù)據(jù)。

3)最大軸向密封力為FMF=A1Po1sinα+A2Po2sinα=2.594×106(N)。

5)為了保證密封，最大軸向預(yù)緊力為FZY=FMF+FFL=5.980×106(N)。

螺桿鎖緊時(shí)其狀態(tài)如圖15所示。

圖15　螺桿與卡牙鎖緊狀態(tài)圖

螺桿在鎖緊卡牙時(shí)僅需克服摩擦力阻力，具體計(jì)算如下。

軸向力FZY作用于卡牙上，均布于以R為半徑的圓上，其軸向分布密度為qzN/m，則：

FZY=2πRqz

卡牙徑向推力為輻射狀均布力，卡牙的水平傾角α=20°，則均布密度qr=qztanα，即qrR=FZYtanα/(2π)。

平動(dòng)卡牙受力分析如圖16所示。

圖16　平動(dòng)卡牙受力圖

FP為輻射力qr對平動(dòng)卡牙所產(chǎn)生的合力，則：

由平衡關(guān)系可知：

轉(zhuǎn)動(dòng)卡牙受力分析如圖17所示。Fz為輻射力qr對轉(zhuǎn)動(dòng)卡牙所產(chǎn)生的合力，等于Fz1與Fz2的合力，r1=392mm，r2=383.6mm。

圖17　轉(zhuǎn)動(dòng)卡牙受力圖

由作用力與反作用力的關(guān)系可知：Fz1=Fp1，根據(jù)力偶平衡關(guān)系可知：Fz2=Fz1r1/r2=3.575×105(N)。

螺桿上有2段螺紋，旋向相反，螺紋規(guī)格均為3-1/8″-6UN-2A。中徑為dz1=76.43 mm； 牙型

由于螺桿自身具備自鎖功能，因此在Fz2的作用下將產(chǎn)生靜力矩：

T=2Tz=Fz2dz1tan(θ+φv)=

4結(jié)語

綜上所述，可以得到如下結(jié)論。

1)經(jīng)歷PR2試驗(yàn)高低溫循環(huán)的密封材料，應(yīng)滿足使用環(huán)境要求，并考察它們對高低溫的熱膨脹和冷收縮變形情況，做到合理選材，且提前預(yù)知由高低溫帶來的泄漏風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，本方案中，低溫是密封的泄漏風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

2)考察密封鋼圈抗高低溫間隙的能力，其回彈能力是否足夠彌補(bǔ)該間隙。本方案中，所選密封鋼圈材料的回彈補(bǔ)充能力足夠抵抗低溫收縮。

3)由于雙管道連接裝置的兩密封鋼圈尺寸有差別，因此，對于相同的材料，應(yīng)使2種密封的接觸應(yīng)力相同，其過盈量應(yīng)有所差別，且兩者應(yīng)保持一致，否則可能導(dǎo)致小鋼圈已密封到位，大鋼圈卻預(yù)密封不足。

4)根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，計(jì)算輸入轉(zhuǎn)矩，并自鎖，保證兩密封鋼圈足夠的密封力。

參考文獻(xiàn)

[1] 全國石油鉆采設(shè)備和工具標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 21412.4—2013 石油天然氣工業(yè) 水下生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作 第4部分：水下井口裝置和采油樹設(shè)備[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

[2] 全國石油鉆采設(shè)備和工具標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 22513—2013 石油天然氣工業(yè) 鉆井和采油設(shè)備 井口裝置和采油樹[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

責(zé)任編輯鄭練

Research and Use Deep Sea Pipeline Connecting Means in Double Metal Seal at Low Temperatures

HAO Weixiu1, HU Xiaqi1, ZANG Pengju2, SHI Jia2, CHENG Rui2

(1.CNOOC Deepwater Development Limited, Zhuhai 519000, China;2.Meizuan Energy Technology (Shanghai) Co., Ltd., Shanghai 200000, China)

Abstract：Two pipe connection device is one of the key equipment used in deepwater Christmas tree. Its dual pipeline design lets the throttle valve and flow meter can be installed in a space-saving at the same time with the limited space, and also enhance the Christmas tree functions. But for the high-pressure gas production tree, it will face the challenge of high pressure and low temperature sealing. Deepwater double pipe connection devices at low temperatures metal seal are studied and the practical application of the process in the case is elaborated.

Key words:double pipe connection device, cryogenic environment, metal seal

收稿日期：2015-10-09

作者簡介：郝偉修(1965-)，男，高級(jí)工程師，主要從事海洋工程等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TE 53

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A